JP4329357B2

JP4329357B2 - Lithium secondary battery negative electrode member and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4329357B2
Application number: JP2003046273A
Authority: JP
Inventors: 宏行植木; 伸之奥田; 進啓太田; 寛彦井原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP2004259483A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、充放電のサイクル安定に優れ、高容量で、安全性も高いリチウム二次電池用の負極部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池の体積及び重量容量密度を向上させることを目的として、従来のグラファイト内へのリチウムイオンのインターカレーションを利用する方法ではなく、リチウム金属の状態で負極電極に蓄積する方法が検討されている。しかし、リチウム金属が有機電解液と反応し、充放電時に樹枝状のリチウム金属の成長（デンドライト成長）が起こり、正極との内部短絡を引き起こし、最終的には爆発に至る危険性を有している。さらに、デンドライト成長に起因して充放電効率も９０％以下と低効率になることから実用化に至っていない。
【０００３】
このデンドライト成長を抑える手法として、リチウム金属表面上にポリマー膜を形成することや、フッ化物膜、炭酸化合物膜、酸化物膜、酸窒化物（ＵＳ５，３１４，７６５のclaim１を参照）、及び硫化物膜（ＵＳ６，０２５，０９４のclaim１および４を参照）等を形成することが検討されている。また、Ｌｉ表面に酸化物層がなく、その表面に中間層として、硫化物層、窒化物層を形成することによりインピーダンスを低減させることが検討されている（特開２０００−３４０２５７の請求項６および７を参照）。さらに、リチウム金属表面上に非晶質の無機固体電解質を形成してデンドライト成長を抑制することも検討されている。リチウム−リン−イオウ系の無機固体電解質はリチウム金属に対して安定で、電解液に対する化学的安定性に優れ、サイクル試験における機械的強度が強い薄膜が製膜可能としている（特開２００２−３２９５２４の請求項１および９を参照）。
【０００４】
一方、グラファイト負極の集電体には一般に銅箔が用いられている。それ以外にはニッケルなどが知られている。その理由として、リチウムイオンとの反応が起きないことが挙げられている。（「２１世紀のリチウム二次電池技術」ｐ．１３３、５行〜６行、２００２年１月２１日発行、シーエムシー出版）。
【０００５】
また、Ｌｉ−Ａｌ合金を負極とするリチウム二次電池では、負極の集電体にステンレスを使用する例が知られている。（「電池便覧」ｐ．３３７、右コラム１１行、平成２年８月２０日発行、丸文株式会社）
さらには、リチウム金属そのものを負極とする場合には、集電体を使用することなく、リチウム金属箔単独で使用される場合が多い（「電池便覧」ｐ．３３０の図３．７．３２、およびｐ．３３１の図３．７．３３、平成２年８月２０日発行、丸文株式会社）。ただし、例えばｐ．３３０の図３．７．３２の場合には、コイン型電池に於ける負極の蓋が一種の集電機能を果たしており、材質としてはステンレスが一般的である。
【０００６】
また、集電体上にリチウムを吸蔵・放出する活物質からなる薄膜において集電体成分の拡散を適度に制御するためにＭｏ、Ｗを含有する中間層を形成することが検討させている（特開２００２−３７３６４４の請求項１を参照）。また、集電体上にリチウムと合金化する金属と、リチウムと合金化しない金属からなる合金薄膜を設けることによって、合金薄膜の微粉化、剥離を抑制している（特開２００２−３７３６４７請求項１を参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする技術課題】
従来、リチウムイオン二次電池の負極の集電体には銅箔が使用されている。これは、リチウムと銅が反応せず、合金相、もしくは固溶相を形成しないとされているためで、リチウム金属負極の場合にも銅箔を適用することが通常考えられている。
【０００８】
また、リチウム金属層の厚みは、単位体積及び重量当たりの電池容量を上げる目的から、２０μｍ以下、好ましくは５μｍ程度に抑える必要がある。この厚み領域になると、リチウム金属の自立箔では機械的強度が弱く使用できない。そのために、銅箔等の集電体上に張り合わせること、あるいは気相合成法にて形成することが必要になる。
【０００９】
この銅箔と気相合成法により形成したリチウム金属膜との積層構造に関して検討を行った結果、従来の定説に反して、リチウム金属の融点温度以下においてもリチウム金属と銅が反応し、合金化もしくは何らかの固溶相を形成する。
【００１０】
さらに、銅箔上にリチウム金属層を形成し、その上に保護層を形成した部材をリチウム二次電池の負極に使用した場合、リチウム金属層への銅の拡散が原因となってサイクル安定性が得られず、負極性能を劣化させる現象が起きる。
【００１１】
現在リチウム二次電池は充放電サイクル効率を１００％にすることは非常に困難である。それはリチウムが電解液との応物を生成してしまい、充放電のたびにリチウムの溶解析出が起こるため、リチウムを消費しながら充放電を繰り返す。そのため、リチウム消費分を負極側のリチウムから補うことが必要となる。
【００１２】
この発明は、充放電のサイクル安定に優れ、高容量で、安全性も高いリチウム二次電池を実現するために、サイクル特性に優れた寿命の長い負極部材を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、金属基材上に形成されるリチウム金属膜への基材金属の拡散を減らすために、気相合成法等によるリチウム金属成膜時の熱負荷を低減する。
【００１４】
また、リチウム金属膜への基材金属の拡散を抑制するために、金属基材とリチウム金属層との間に、拡散防止のための中間層を設ける。
【００１５】
成膜時の熱負荷の低減は、例えば、成膜工程を２回以上に分けて成膜時のリチウム表面温度を１５０℃以下にする方法や成膜中の金属基材温度を１５０℃以下に保つ方法で実現できる。
【００１６】
又、前記中間層は、金属基材の表面に基材金属の酸化層や硫化物層を形成してそれを利用する。そうすることでその中間層を容易に安価に形成することができる。
【００１７】
上述した成膜時の熱負荷低減、中間層による成膜時の拡散防止により、リチウム金属膜中の基材金属の濃度が、リチウム金属膜の最表面からリチウム金属膜厚２０％の範囲において、５原子％以下であるリチウム二次電池負極部材や、電界を基材と金属電極間に印加して金属電極側にリチウムイオンを伝導させたときの伝導可能リチウム量が全リチウム量に対し２０％以上であるリチウム二次電池負極部材が得られる。
【００１８】
なお、上述した成膜時の熱負荷低減、中間層による成膜時の拡散防止は、基材上にリチウムを吸・放出可能な金属膜、合金膜又はカーボン膜のいずれか１種以上を形成した負極部材に適用しても効果がある。この場合にも、基材上に形成される膜の表面温度や基材温度を１５０℃以下に保って成膜を行う、あるいは基材金属の酸化層などを中間層にして成膜時の拡散を防止すると、基材上に形成されたリチウムを吸・放出可能な膜中の基材金属濃度が当該膜の最表面からその膜の膜厚２０％の範囲において５原子％以下であるリチウム二次電池負極部材が得られる。
【００１９】
【作用】
この発明のリチウム二次電池負極部材は、基材上に設けるリチウム金属層、あるいは金属膜、合金膜又はカーボン膜のいずれか１種以上の膜からなるリチウムを吸・排出可能な膜に対する銅等の基材金属の拡散を抑制したので、リチウムの不活性化が低減してサイクル寿命が向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１に示すように、厚さが１０μｍの銅箔を基材１として使用し、その上に蒸着法により成膜中のリチウム表面温度を１５０℃に抑えた条件下でリチウム金属膜２を形成した。温度測定は放射温度計を用いて行った。リチウム金属膜２の膜厚は５μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計を用いて行った。さらに、リチウム金属膜２上に、リチウム（Ｌｉ）−リン（Ｐ）−イオウ（Ｓ）組成の固体電解質膜３を固体電解質の表面温度を１５０℃以下に抑えた条件下で蒸着法により０．５μｍ厚に形成し、その後に得られた材料を１５ｍｍ径に打ち抜いて負極とした。固体電解質膜３の組成は、プラズマ発光分析（ＩＣＰ）法によって分析したところ、Ｌｉ３４原子％、Ｐ１４原子％、Ｓ５２原子％であった。
【００２１】
また、電池用の正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００２２】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、負極、セパレータ（多孔質ポリマーフイルム）、及び正極を、コイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【００２３】
そして、この試作電池の性能評価のための充放電のサイクル試験行った。その充放電サイクル試験は、３ｍＡの定電流条件で、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行った。そのサイクル試験の結果を表１に示す。この表１からわかるように、５００サイクル後にも内部短絡は起こらず、容量の低下も見られなかった。
【００２４】
また、充放電サイクル試験後、コインセルを分解し、負極を取り出して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察、及びエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）を行ったが、リチウム金属のデンドライト成長は見られず、負極表面に固体電解質層が保持されていることが観察された。さらに、同負極部材の光電子分光分析（ＸＰＳ）を行ったところ、表面層の固体電解質、およびリチウム金属層が観測された。
【００２５】
また、銅箔上のリチウム金属の一部を切り出し、銅箔上に形成されたリチウム膜の深さ方向の表面分析を光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて行った。その分析結果を図２に示す。表面からの深さ１．０μｍ（膜厚の２０％）付近で銅のピークが検出され、リチウム層に銅が１％拡散していることを確認した。
【００２６】
また、図３に示すように、先に作製した負極の固体電解質膜３上にさらに蒸着法により成膜中のリチウム表面温度を１５０℃に抑えた条件下で第２のリチウム層となるリチウム金属膜４を形成した。そのリチウム金属膜４の膜厚は５μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計で行った。
【００２７】
この銅箔１／リチウム金属膜２／固体電解質膜３／リチウム金属膜４から成る素子の銅箔１とリチウム金属膜４に定電流電源を接続し、銅箔直上のリチウムを固体電解質膜３とリチウム金属膜４の界面側に放出させる直流寿命試験を実施した。この直流寿命試験は、０．５ｍＡ／ｃｍ²の定電流条件下で行い、直流抵抗が１００Ωに上昇時点で寿命とした。その結果、伝導可能リチウム量は全リチウム量に対し２０％（伝導可能リチウム量／全リチウム量×１００（％））以上であった。上記の直流寿命試験でリチウムを放出させ直流抵抗値が１００Ωになった時点でのリチウム放出量をリチウム伝導可能リチウム量と定義する。伝導可能リチウム量は４．８５×１０^-4×電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）×時間（ｈ）で表され（１ｍＡｈ／ｃｍ²＝（４．８５×１０^-4ｃｍ／ｃｍ²より）、また全リチウム量は触針式段差計によって測定した膜厚（ｃｍ）で表される。
【００２８】
なお、金属基材としてはＣｕ以外に、Ｎｉ、ＳＵＳを用いることができる。
【００２９】
〔実施例２〕〜〔実施例９〕
実施例１と同様の構成で、金属基材の温度、リチウム金属の膜厚、固体電解質も膜厚を変えた負極を採用した電池を作製し、その電池のサイクル特性、直流寿命を調査した。その結果を表１に併せて示す。伝導可能リチウム量とサイクル特性に相関が確認できた。
【００３０】
〔比較例１〕
銅箔上に形成するリチウム金属膜の成膜中の表面温度を１７０℃とし、その他は実施例１と同じ条件でリチウム二次電池を作製した。
【００３１】
充放電のサイクル実験は、３ｍＡの定電流条件で、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行った。その結果は表１に示す通りであり、充放電サイクル寿命は２００〜３００サイクルであった。
【００３２】
銅箔上のリチウム金属の一部を切り出し、銅箔上に形成されたリチウム膜の深さ方向の表面分析を光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて行った。その結果を図２に示す。表面からの深さ１．０μｍ（膜厚の２０％）付近で銅のピークが検出され、リチウム層に銅が７％拡散していることを確認した。
【００３３】
また、実施例１と同様の構成で直流寿命試験を実施した。直流寿命試験は、０．５ｍＡ／ｃｍ²の定電流条件下で直流抵抗が１００Ωに上昇した時点で寿命とした。その結果、伝導可能リチウム量は全リチウム量に対し９〜１２％であった。表１に結果を示す。
【００３４】
〔実施例１０〕
厚さ１０μｍの銅箔を大気中で加熱することによってその銅箔の表面に銅の酸化層５（図４参照）を形成した。その酸化層の膜厚は０．２μｍであった。さらにその上に蒸着法によりリチウム表面温度１５０℃以下の条件下でリチウム金属膜２を形成した。温度測定は放射温度計で行った。リチウム金属膜２の膜厚は０．５μｍであった。これらの膜厚の測定は触針式段差計で行った。さらに、リチウム金属膜２上に、リチウム（Ｌｉ）−リン（Ｐ）−イオウ（Ｓ）組成の固体電解質膜３を蒸着法により０．５μｍ厚に形成し、その後、得られた材料を１５ｍｍ径に打ち抜いて負極とした。プラズマ発光分析（ＩＣＰ）法による固体電解質膜３の組成は、Ｌｉ３４原子％、Ｐ１４原子％、Ｓ５２原子％であった。
【００３５】
電池用の正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００３６】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、負極、セパレータ（多孔質ポリマーフイルム）、及び正極をコイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【００３７】
そして、この電池について充放電のサイクル実験を、３ｍＡの定電流条件、充電４．２Ｖ、放電３０Ｖの間で行った。そのサイクル寿命の結果を表１に示す。これは５５０サイクル後にも内部短絡が起こらず、容量の低下も見られなかった。
【００３８】
また、充放電サイクル試験後、コインセルを分解して負極を取り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察とエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）を行ったところ、リチウム金属のデンドライト成長は見られず、負極表面に固体電解質層が保持されていることが観察された。
【００３９】
さらに、同負極部材の光電子分光分析（ＸＰＳ）において、表面層の固体電解質膜、およびリチウム金属層が観測された。
【００４０】
また、銅箔１上に酸化層５、リチウム金属膜２、固体電解質膜３を順に積層して形成した負極上にさらに蒸着法によりリチウム表面温度を１５０℃に抑えた条件下で図５に示すように、リチウム金属膜４を形成した。リチウム金属膜４の膜厚は５μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計により測定した。
【００４１】
この銅箔１／酸化層５／リチウム金属膜２／固体電解質３／リチウム金属膜４から成る素子の銅基材とリチウム金属膜４に定電流電源を接続し、銅箔直上のリチウムを固体電解質膜３とリチウム金属膜４の界面側に放出させる直流寿命試験を実施した。この直流寿命試験は、０．５ｍＡ/ ｃｍ²の定電流条件下で直流抵抗が１００Ωに上昇した時点で寿命とした。その結果伝導可能リチウム量は全リチウム量に対し２１％以上であった。
【００４２】
〔実施例１１〕〜〔実施例１５〕
実施例１と同様の構成で、金属基材の温度、リチウム金属の膜厚、固体電解質の膜厚を変えた負極を採用した電池を試作して試験を行い、その電池のサイクル特性、直流寿命を調査した。その結果を、表１に示す。
【００４３】
〔実施例１６〕
図６に示すように、厚さ１０μｍの銅箔を基材１として使用し、その上に蒸着法によりリチウム金属膜２を形成した。そのリチウム膜２の膜厚は５０μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計で行った。また、温度測定は放射温度計で行った。一度目の成膜工程で１４５℃になった時点で一旦成膜をやめ、温度が１００℃まで下がった時点で再度リチウム成膜を行った。成膜工程をこのように二回（それ以上も可）に分けることによって成膜中のリチウム表面温度が１５０℃以上に上昇するのを抑えた。さらに、得られたリチウム金属膜上に、リチウム（Ｌｉ）−リン（Ｐ）−イオウ（Ｓ）組成の固体電解質膜３を、その固体電解質の表面温度を１５０℃以下に抑えた条件下で蒸着法により０．５μｍ厚に形成し、その後、得られた材料を１５ｍｍ径に打ち抜いて負極とした。プラズマ発光分析（ＩＣＰ）法で分析した固体電解質膜の組成は、Ｌｉ３４原子％、Ｐ１４原子％、Ｓ５２原子％であった。
【００４４】
電池用の正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００４５】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、負極、セパレータ（多孔質ポリマーフィルム）、及び正極をコイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【００４６】
充放電のサイクル実験は、３ｍＡの定電流条件で、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行った。そのサイクル寿命は５５０サイクル以上であった。
【００４７】
充放電サイクル実験後、コインセルを分解して負極を取り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察とエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）を行った。この場合にも、リチウム金属のデンドライト成長は見られず、負極表面に固体電解質層が保持されていることが観察された。さらに、同負極部材の光電子分光分析（ＸＰＳ）において、表面層の固体電解質、およびリチウム金属層が観測された。
【００４８】
銅箔上のリチウム金属の一部を切り出し、銅箔上に形成されたリチウム膜の深さ方向の表面分析を光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて行った。その結果、表面からの深さ１０μｍ（膜厚の２０％）付近で銅のピークが検出され、リチウム層に銅が１％拡散していることが確認できた。
【００４９】
また、図３と同様に、先に作製した負極の固体電解質膜３上にさらに、蒸着法によりリチウム表面温度を１５０℃に抑えた条件下でリチウム金属膜４を形成した。リチウム金属膜４の膜厚は５μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計で行った。
【００５０】
この銅箔１／リチウム金属膜２／固体電解質膜３／リチウム金属膜４から成る素子の銅箔１とリチウム金属膜４に定電流電源を接続し、銅箔直上のリチウムを固体電解質３とリチウム金属４の界面側に放出させる直流寿命試験を実施した。この直流寿命試験は、０．５ｍＡ／ｃｍ²の定電流条件下で直流抵抗が１００Ωに上昇した時点で寿命とした。その結果、伝導可能リチウム量は全リチウム量に対し２０％以上であった。上記の直流寿命試験でリチウムを放出させ直流抵抗値が１００Ωになった時点でのリチウム放出量をリチウム伝導可能リチウム量と定義する。
【００５１】
〔比較例２〕
厚さ１０μｍの銅箔を基材として使用し、その上に蒸着法により膜厚５０μｍのリチウム金属膜を形成した。膜厚の測定は触針式段差計で行った。また、温度は放射温度計で測定した。成膜温度はリチウム表面温度を１７０℃にした。さらに、リチウム金属膜上に、リチウム（Ｌｉ）−リン（Ｐ）−イオウ（Ｓ）組成の固体電解質膜を固体電解質表面温度を１５０℃以下に抑えた条件下で蒸着法により０．５μｍ厚に形成し、その後、得られた材料を１５ｍｍ径に打ち抜いて負極とした。固体電解質膜の組成は、プラズマ発光分析（ＩＣＰ）法による分析で、Ｌｉ３４原子％、Ｐｌ４原子％、Ｓ５２原子％であった。
【００５２】
正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００５３】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、負極、セパレータ（多孔質ポリマーフィルム）、及び正極をコイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【００５４】
この電池の充放電サイクル試験を、３ｍＡの定電流、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行ったところ、そのサイクル寿命は２００〜３００サイクルであった。
【００５５】
充放電サイクル試験後、コインセルを分解して負極を取り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察とエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）を行った。リチウム金属のデンドライト成長は見られず、負極表面に固体電解質層が保持されていることが観察された。さらに、同負極材料の光電子分光分析（ＸＰＳ）を行ったが、表面層の固体電解質、およびリチウム金属層が観測された。
【００５６】
また、先に作製した負極の固体電解質膜上にさらに蒸着法によりリチウム表面温度を１５０℃に抑えて図３の４に相当する２層目のリチウム金属膜を形成した。その２層目のリチウム金属膜の膜厚は５μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計で行った。
【００５７】
この銅箔／リチウム金属膜／固体電解質／リチウム金属膜から成る素子の銅基材と固体電解質膜上のリチウム金属膜（２層目のリチウム金属膜）に定電流電源を接続し、銅箔直上のリチウムを固体電解質膜と２層目のリチウム金属膜の界面側に放出させる直流寿命試験を実施した。この直流寿命試験は、０．５ｍＡ／ｃｍ²の定電流条件下で直流抵抗が１００Ωに上昇した時点で寿命とした。その結果、伝導可能リチウム量は全リチウム量に対し９〜１２％であった。上記の直流寿命試験でリチウムを放出させ直流抵抗値が１００Ωになった時点でのリチウム放出量をリチウム伝導可能リチウム量と定義する。
【００５８】
また、銅箔上のリチウム金属の一部を切り出し、銅箔上に形成されたリチウム膜の深さ方向の表面分析を光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて行った。その結果、表面からの深さ１０μｍ（膜厚の２０％）付近で銅のピークが検出され、リチウム層に銅が８％拡散していることを確認した。
【００５９】
〔実施例１７〕
厚さ１０μｍの銅箔を基材として使用し、その上に蒸着法でシリコン膜の表面温度を１５０℃に抑えてシリコン膜を形成した。温度は放射温度計で測定した。そのシリコン膜の膜厚は５μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計で行った。
【００６０】
正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００６１】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で負極、セパレータ（多孔質ポリマーフイルム）、及び正極をコイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウムニ次電池を作製した。
【００６２】
そして、この電池の充放電サイクル試験を、３ｍＡの定電流条件、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行った。その結果を表２に示す。５００サイクル後も、内部短絡は起こらず、容量の低下も見られなかった。
【００６３】
銅箔上のシリコン薄膜の一部を切り出し、銅箔上に形成されたシリコン膜の深さ方向の表面分析を光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて行った。その結果、表面からの深さ１０μｍ（膜厚の２０％）付近で銅のピークが検出され、シリコン膜中に銅が１％拡散していることを確認した。基材としてはＣｕ以外にＮｉ、ＳｕＳを用いることができる。
【００６４】
〔実施例１８〕〜〔実施例２８〕
実施例１７と同様の構成で、基材の温度、基材上に形成するシリコン膜の膜厚、固体電解質の膜厚を変えた負極を用いて電池を作製し、その電池のサイクル特性、直流寿命を調査した。その結果を、表２に示す。
【００６５】
〔実施例２９〕
厚さが１０μｍの銅箔を大気中で加熱してその銅箔の表面に銅の酸化層を形成した。その酸化層の膜厚は０．２μｍであった。さらにその上に蒸着法によりシリコン膜の表面温度が１５０℃以下となる条件で膜厚０．５μｍのシリコン膜を形成した。温度は放射温度計、酸化層とシリコン膜の膜厚は触針式段差計で各々測定した。
【００６６】
正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００６７】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、負極、セパレータ（多孔質ポリマーフィルム）、及び正極をコイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【００６８】
この電池の充放電サイクル試験を、３ｍＡ定電流、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行ったところ、表２に示すように、５５０サイクル後においても内部短絡は起こらず、容量の低下も見られなかった。
【００６９】
〔実施例３０〕〜〔実施例３４〕
実施例２９と同様の構成で、基材の温度、基材上に設ける薄膜の膜厚を変えた負極を用いて電池を作製し、その電池のサイクル特性、直流寿命を調査した。その結果を表２に示す。
【００７０】
〔実施例３５〕
厚さ１０μｍの銅箔を基材として使用し、その上にシリコン膜を蒸着法により形成した。そのシリコン膜の膜厚は５０μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計で、温度の測定は放射温度計で各々行った。一度目の成膜工程で１４５℃になった時点で一旦成膜をやめ、温度が１００℃まで下がった時点で再度シリコンの成膜を行った。成膜工程をこのように数回に分けることによって成膜中のシリコンの表面温度が１５０℃以上に上昇するのを抑えた。
【００７１】
正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００７２】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、負極、セパレータ（多孔質ポリマーフィルム）、及び正極をコイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【００７３】
この電池の充放電サイクル試験を、３ｍＡ定電流、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行ったところ、表２に示すように、５５０サイクル後においても内部短絡は起こらず、容量の低下も見られなかった。
【００７４】
銅箔上のシリコン薄膜の一部を切り出し、銅箔上に形成されたシリコン膜の深さ方向の表面分析を光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて行った。その結果、表面からの深さ１０μｍ（膜厚の２０％）付近で銅のピークが検出され、シリコン膜中に銅が１％拡散していることを確認した。
【００７５】
〔比較例３〕
厚さ１０μｍの銅箔を基材として使用し、その上にシリコン膜を蒸着法により形成した。そのシリコン膜の膜厚は５０μｍであった。膜厚の測定は触針式段差計で行った。また、成膜時の温度を放射温度計で測定したところ、シリコン表面温度は１７０℃であった。
【００７６】
正極は、活物質となるＬｉＣｏＯ₂粒子、電子伝導性を付与する炭素粒子、及びポリフッ化ビニリデンを有機溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して作製した。正極の厚みは１００μｍである。
【００７７】
露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、負極、セパレータ（多孔質ポリマーフィルム）、及び正極をコイン型セル内に設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として１モル％のＬｉＰＦ₆を溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【００７８】
この電池の充放電サイクル試験を、３ｍＡ定電流、充電４．２Ｖ、放電３．０Ｖの間で行ったところ、そのサイクル寿命は２００〜３００サイクルであった。
【００７９】
また、銅箔上のシリコン膜の一部を切り出し、銅箔上に形成されたシリコン膜の深さ方向の表面分析を光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて行なった。その結果、表面からの深さ１０μｍ（膜厚の２０％）付近での銅のピークが検出された。なお、上記実施例のうち、１０〜１５と２９〜３４が本願発明品であり、その他は参考例である。
【００８０】
【表１】

【００８１】
【表２】

【００８２】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、金属基材上に形成されるリチウム金属膜やへの基材金属の拡散が負極部材の性能に無視できない悪影響を及ぼすことを見いだし、リチウム金属膜成膜時の熱負荷の低減、または中間層の設置によりその拡散を抑制してリチウムの不活性化を抑えるようにしたので、負極部材のサイクル寿命が向上し、そのために、エネルギー密度が高く、充放電サイクル特性に優れた安定性、安全性の高いリチウム二次電池を実現して提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考形態の負極部材を示す拡大断面図
【図２】実施例１と比較例１のリチウム金属膜に対する銅の拡散状況の分析結果を示す図
【図３】負極部材の他の参考形態を示す拡大断面図
【図４】この発明の負極部材の実施形態を示す拡大断面図
【図５】この発明の負極部材の更に他の実施形態を示す拡大断面図
【図６】負極部材の更に他の参考形態を示す拡大断面図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a negative electrode member for a lithium secondary battery that has excellent charge / discharge cycle stability, high capacity, and high safety.
[0002]
[Prior art]
For the purpose of improving the volume and weight capacity density of a lithium ion secondary battery, a method of accumulating in a negative electrode in the state of lithium metal is used instead of the conventional method of using lithium ion intercalation in graphite. It is being considered. However, lithium metal reacts with the organic electrolyte, dendritic lithium metal growth (dendritic growth) occurs during charging and discharging, causing an internal short circuit with the positive electrode, and finally there is a risk of explosion. Yes. Furthermore, due to the dendrite growth, the charge / discharge efficiency is as low as 90% or less, so it has not been put into practical use.
[0003]
As a technique for suppressing this dendrite growth, a polymer film is formed on a lithium metal surface, a fluoride film, a carbonate compound film, an oxide film, an oxynitride (see claim 1 of US Pat. No. 5,314,765), and sulfide. Formation of a material film (see

claims

1 and 4 of US Pat. No. 6,025,094) and the like has been studied. Further, it has been studied to reduce the impedance by forming a sulfide layer or a nitride layer as an intermediate layer on the Li surface without an oxide layer (claim 6 of JP 2000-340257). And 7). Furthermore, it has been studied to suppress dendrite growth by forming an amorphous inorganic solid electrolyte on the lithium metal surface. A lithium-phosphorus-sulfur-based inorganic solid electrolyte is stable to lithium metal, has excellent chemical stability to an electrolytic solution, and can form a thin film having high mechanical strength in a cycle test (JP 2002-329524 A). (See claims 1 and 9).
[0004]
  On the other hand, the current collector of graphite negative electrode is generallyCopper foilIs used. Other than that, nickel and the like are known. The reason is that no reaction with lithium ions occurs. ("Lithium secondary battery technology in the 21st century" p. 133, lines 5-6, published on January 21, 2002, CMC Publishing).
[0005]
In addition, in a lithium secondary battery using a Li—Al alloy as a negative electrode, an example in which stainless steel is used as a negative electrode current collector is known. ("Battery Handbook" p.337, right column, 11 lines, issued on August 20, 1990, Marubun Corporation)
Furthermore, when the lithium metal itself is used as the negative electrode, the lithium metal foil is often used alone without using a current collector (see “Battery Handbook” p.330, FIG. 3.7.32). And Fig. 3.7.33 on p.331, issued on August 20, 1990, Marubun Corporation). However, for example, p. In the case of Fig. 3.7.32 of 330, the lid of the negative electrode in the coin-type battery performs a kind of current collecting function, and stainless steel is generally used as the material.
[0006]
In addition, in order to moderately control the diffusion of current collector components in a thin film made of an active material that occludes / releases lithium on the current collector, it is considered to form an intermediate layer containing Mo and W ( (See claim 1 of JP-A-2002-373644). Further, by providing an alloy thin film made of a metal alloying with lithium and a metal not alloying with lithium on the current collector, the alloy thin film is prevented from being pulverized and separated (JP 2002-373647 A). 1).
[0007]
[Technical Problem to be Solved by the Invention]
Conventionally, a copper foil has been used as a negative electrode current collector of a lithium ion secondary battery. This is because lithium and copper do not react and do not form an alloy phase or a solid solution phase, and it is usually considered to apply a copper foil also in the case of a lithium metal negative electrode.
[0008]
In addition, the thickness of the lithium metal layer needs to be suppressed to 20 μm or less, preferably about 5 μm for the purpose of increasing the battery capacity per unit volume and weight. In this thickness region, the lithium metal self-supporting foil has a low mechanical strength and cannot be used. For this purpose, it is necessary to bond them on a current collector such as a copper foil or to form them by vapor phase synthesis.
[0009]
As a result of examining the laminated structure of this copper foil and a lithium metal film formed by a vapor phase synthesis method, contrary to the conventional theory, lithium metal and copper react even below the melting point of lithium metal, resulting in alloying Or some solid solution phase is formed.
[0010]
Furthermore, when a lithium metal layer is formed on a copper foil and a member on which a protective layer is formed is used for the negative electrode of a lithium secondary battery, cycle stability is caused by the diffusion of copper into the lithium metal layer. Can not be obtained, and the negative electrode performance deteriorates.
[0011]
Currently, it is very difficult to make the charge / discharge cycle efficiency 100% of the lithium secondary battery. That is, lithium forms a reaction with the electrolytic solution, and dissolution and precipitation of lithium occurs each time charging / discharging. Therefore, charging / discharging is repeated while consuming lithium. Therefore, it is necessary to supplement the lithium consumption from the lithium on the negative electrode side.
[0012]
An object of the present invention is to provide a long-life negative electrode member having excellent cycle characteristics in order to realize a lithium secondary battery having excellent charge / discharge cycle stability, high capacity, and high safety.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, in order to reduce the diffusion of the base metal into the lithium metal film formed on the metal base, the thermal load during the deposition of the lithium metal by the vapor phase synthesis method or the like Reduce.
[0014]
In order to suppress diffusion of the base metal into the lithium metal film, an intermediate layer for preventing diffusion is provided between the metal base and the lithium metal layer.
[0015]
The heat load during film formation can be reduced, for example, by dividing the film formation process into two or more steps so that the lithium surface temperature during film formation is 150 ° C. or lower, or the metal substrate temperature during film formation is 150 ° C. or lower. It can be realized by keeping it.
[0016]
  The intermediate layer is formed by forming an oxide layer or sulfide layer of the base metal on the surface of the metal base.. So that the middle layerEasy and inexpensive formationTo doit can.
[0017]
By reducing the thermal load at the time of film formation described above and preventing diffusion at the time of film formation by the intermediate layer, the concentration of the base metal in the lithium metal film is in the range of 20% from the outermost surface of the lithium metal film, Lithium secondary battery negative electrode member of 5 atomic% or less, or the amount of lithium that can be conducted when an electric field is applied between the substrate and the metal electrode to conduct lithium ions to the metal electrode side is 20% of the total lithium amount The lithium secondary battery negative electrode member as described above is obtained.
[0018]
To reduce the thermal load during film formation and prevent diffusion during film formation using the intermediate layer, one or more of a metal film, an alloy film, and a carbon film capable of absorbing and releasing lithium are formed on the substrate. Even if applied to the negative electrode member, it is effective. Also in this case, film formation is performed while maintaining the surface temperature of the film formed on the substrate and the substrate temperature at 150 ° C. or lower, or diffusion during film formation using an oxide layer of the substrate metal as an intermediate layer. Is prevented, the concentration of the base metal in the film capable of absorbing and releasing lithium formed on the base material is 5 atomic% or less in the range of the film thickness of 20% from the outermost surface of the film. A secondary battery negative electrode member is obtained.
[0019]
[Action]
The negative electrode member of the lithium secondary battery according to the present invention includes a lithium metal layer provided on a base material, copper for a film capable of absorbing and discharging lithium composed of at least one of a metal film, an alloy film, and a carbon film. Since the diffusion of the base metal is suppressed, the inactivation of lithium is reduced and the cycle life is improved.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Example 1]
As shown in FIG. 1, a copper foil having a thickness of 10 μm is used as a base material 1, and a lithium metal film 2 is formed thereon under a condition that the lithium surface temperature during film formation is suppressed to 150 ° C. by vapor deposition. did. The temperature was measured using a radiation thermometer. The film thickness of the lithium metal film 2 was 5 μm. The film thickness was measured using a stylus step meter. Further, a solid electrolyte film 3 having a lithium (Li) -phosphorus (P) -sulfur (S) composition is formed on the lithium metal film 2 by a vapor deposition method under a condition in which the surface temperature of the solid electrolyte is suppressed to 150 ° C. or lower. It was formed to a thickness of 5 μm, and the material obtained thereafter was punched into a diameter of 15 mm to obtain a negative electrode. The composition of the solid electrolyte membrane 3 was analyzed by a plasma emission analysis (ICP) method, and found to be Li 34 atomic%, P 14 atomic%, and S52 atomic%.
[0021]
In addition, the positive electrode for the battery is LiCoO which is an active material.₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0022]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode are placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of −80 ° C. or less, and 1 mol% as an electrolytic salt in a mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. LiPF₆A lithium secondary battery was produced by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0023]
Then, a charge / discharge cycle test for performance evaluation of the prototype battery was performed. The charge / discharge cycle test was performed between a charge of 4.2 V and a discharge of 3.0 V under a constant current condition of 3 mA. The results of the cycle test are shown in Table 1. As can be seen from Table 1, no internal short circuit occurred even after 500 cycles, and no decrease in capacity was observed.
[0024]
In addition, after the charge / discharge cycle test, the coin cell was disassembled, the negative electrode was taken out, and observation with a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDX) were performed, but lithium metal dendrite growth was observed. It was observed that the solid electrolyte layer was retained on the negative electrode surface. Further, when the negative electrode member was subjected to photoelectron spectroscopy (XPS), a solid electrolyte in the surface layer and a lithium metal layer were observed.
[0025]
Moreover, a part of lithium metal on the copper foil was cut out, and the surface analysis in the depth direction of the lithium film formed on the copper foil was performed using photoelectron spectroscopy (XPS). The analysis result is shown in FIG. A copper peak was detected in the vicinity of a depth of 1.0 μm (20% of the film thickness) from the surface, and it was confirmed that 1% of copper was diffused in the lithium layer.
[0026]
Further, as shown in FIG. 3, a lithium metal that becomes the second lithium layer under the condition that the lithium surface temperature during film formation is further suppressed to 150 ° C. by vapor deposition on the negative electrode solid electrolyte film 3 produced previously. A film 4 was formed. The thickness of the lithium metal film 4 was 5 μm. The film thickness was measured with a stylus type step gauge.
[0027]
A constant current power source is connected to the copper foil 1 and the lithium metal film 4 of the element comprising the copper foil 1 / lithium metal film 2 / solid electrolyte film 3 / lithium metal film 4, and the lithium directly above the copper foil is connected to the solid electrolyte film 3 A direct current life test was carried out to be released to the interface side of the lithium metal film 4. This DC life test is 0.5 mA / cm²The test was conducted under the constant current conditions, and the life was reached when the DC resistance increased to 100Ω. As a result, the amount of conductive lithium was 20% or more with respect to the total amount of lithium (conductable lithium amount / total lithium amount × 100 (%)). The amount of lithium released when lithium is released in the above DC life test and the DC resistance value becomes 100Ω is defined as the lithium conducting lithium amount. The amount of lithium that can be conducted is 4.85 × 10^-Four× Current density (mA / cm²) X time (h) (1 mAh / cm²= (4.85 × 10^-Fourcm / cm²Further, the total amount of lithium is represented by a film thickness (cm) measured by a stylus profilometer.
[0028]
  In addition to Cu, Ni, Ni,SUSCan be used.
[0029]
[Example 2] to [Example 9]
A battery employing a negative electrode in which the temperature of the metal substrate, the thickness of the lithium metal, and the thickness of the solid electrolyte were also changed in the same configuration as in Example 1, and the cycle characteristics and the DC life of the battery were investigated. The results are also shown in Table 1. There was a correlation between the amount of conductive lithium and the cycle characteristics.
[0030]
[Comparative Example 1]
A lithium secondary battery was fabricated under the same conditions as in Example 1 except that the surface temperature during the formation of the lithium metal film formed on the copper foil was 170 ° C.
[0031]
The charge / discharge cycle experiment was performed between a charge of 4.2 V and a discharge of 3.0 V under a constant current condition of 3 mA. The results are as shown in Table 1, and the charge / discharge cycle life was 200 to 300 cycles.
[0032]
A part of the lithium metal on the copper foil was cut out, and surface analysis in the depth direction of the lithium film formed on the copper foil was performed using photoelectron spectroscopy (XPS). The result is shown in FIG. A copper peak was detected in the vicinity of a depth of 1.0 μm (20% of the film thickness) from the surface, and it was confirmed that 7% of copper was diffused in the lithium layer.
[0033]
In addition, a DC life test was performed with the same configuration as in Example 1. DC life test is 0.5mA / cm²The lifetime was determined when the DC resistance increased to 100Ω under the constant current conditions. As a result, the conductive lithium amount was 9 to 12% with respect to the total lithium amount. Table 1 shows the results.
[0034]
Example 10
A copper oxide layer 5 (see FIG. 4) was formed on the surface of the copper foil by heating the copper foil having a thickness of 10 μm in the air. The thickness of the oxide layer was 0.2 μm. Further thereon, a lithium metal film 2 was formed by a vapor deposition method under the condition of a lithium surface temperature of 150 ° C. or lower. The temperature was measured with a radiation thermometer. The thickness of the lithium metal film 2 was 0.5 μm. These film thicknesses were measured with a stylus profilometer. Further, a solid electrolyte film 3 having a lithium (Li) -phosphorus (P) -sulfur (S) composition is formed on the lithium metal film 2 to a thickness of 0.5 μm by a vapor deposition method. The negative electrode was punched out. The composition of the solid electrolyte membrane 3 by the plasma emission analysis (ICP) method was Li 34 atomic%, P 14 atomic%, and S52 atomic%.
[0035]
The positive electrode for batteries is LiCoO, which is an active material.₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0036]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode are placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of -80 ° C. or lower. Further, 1 mol% of an electrolyte salt is added to a mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. LiPF₆A lithium secondary battery was produced by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0037]
And the cycle experiment of charging / discharging about this battery was performed between the constant current conditions of 3 mA, charge 4.2V, and discharge 30V. The cycle life results are shown in Table 1. This did not cause an internal short circuit even after 550 cycles, and no decrease in capacity was observed.
[0038]
In addition, after the charge / discharge cycle test, the coin cell was disassembled and the negative electrode was taken out, and observation with a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDX) showed no lithium metal dendrite growth. It was observed that the solid electrolyte layer was retained on the negative electrode surface.
[0039]
Further, in the photoelectron spectroscopic analysis (XPS) of the negative electrode member, a surface layer solid electrolyte membrane and a lithium metal layer were observed.
[0040]
Moreover, it shows in FIG. 5 on the conditions which suppressed lithium surface temperature to 150 degreeC further by the vapor deposition method on the negative electrode formed by laminating | stacking the oxide layer 5, the lithium metal film 2, and the solid electrolyte film 3 in order on the copper foil 1. FIG. Thus, the lithium metal film 4 was formed. The thickness of the lithium metal film 4 was 5 μm. The film thickness was measured with a stylus step meter.
[0041]
A constant current power source is connected to the copper base material and the lithium metal film 4 of the element comprising the copper foil 1 / oxide layer 5 / lithium metal film 2 / solid electrolyte 3 / lithium metal film 4, and the lithium directly above the copper foil is used as the solid electrolyte. A direct current life test was carried out to be released to the interface side between the film 3 and the lithium metal film 4. This DC life test is 0.5 mA / cm²The lifetime was determined when the DC resistance increased to 100Ω under the constant current conditions. As a result, the amount of lithium that can be conducted was 21% or more based on the total amount of lithium.
[0042]
[Example 11] to [Example 15]
A battery having the same configuration as in Example 1 and employing a negative electrode in which the temperature of the metal substrate, the thickness of the lithium metal, and the thickness of the solid electrolyte was varied was tested and tested, and the cycle characteristics and DC life of the battery were tested. investigated. The results are shown in Table 1.
[0043]
Example 16
As shown in FIG. 6, a copper foil having a thickness of 10 μm was used as the base material 1, and a lithium metal film 2 was formed thereon by a vapor deposition method. The thickness of the lithium film 2 was 50 μm. The film thickness was measured with a stylus type step gauge. The temperature was measured with a radiation thermometer. The film formation was temporarily stopped when the temperature reached 145 ° C. in the first film formation step, and lithium film formation was performed again when the temperature dropped to 100 ° C. By dividing the film formation step in this way (more than that), the lithium surface temperature during film formation was prevented from rising to 150 ° C. or higher. Further, a solid electrolyte film 3 having a lithium (Li) -phosphorus (P) -sulfur (S) composition is deposited on the obtained lithium metal film under a condition in which the surface temperature of the solid electrolyte is suppressed to 150 ° C. or lower. The resulting material was formed to a thickness of 0.5 μm, and then the obtained material was punched to a diameter of 15 mm to form a negative electrode. The composition of the solid electrolyte membrane analyzed by the plasma emission analysis (ICP) method was Li 34 atomic%, P 14 atomic%, and S52 atomic%.
[0044]
The positive electrode for batteries is LiCoO, which is an active material.₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0045]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode were placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of −80 ° C. or lower. Further, 1 mol% of an electrolytic salt was added to the mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. LiPF₆A lithium secondary battery was produced by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0046]
The charge / discharge cycle experiment was performed between a charge of 4.2 V and a discharge of 3.0 V under a constant current condition of 3 mA. The cycle life was 550 cycles or more.
[0047]
After the charge / discharge cycle experiment, the coin cell was disassembled, the negative electrode was taken out, and observation with a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDX) were performed. Also in this case, no dendritic growth of lithium metal was observed, and it was observed that the solid electrolyte layer was retained on the negative electrode surface. Further, in the photoelectron spectroscopic analysis (XPS) of the negative electrode member, a solid electrolyte in the surface layer and a lithium metal layer were observed.
[0048]
A part of the lithium metal on the copper foil was cut out, and surface analysis in the depth direction of the lithium film formed on the copper foil was performed using photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, a copper peak was detected near a depth of 10 μm (20% of the film thickness) from the surface, and it was confirmed that 1% of copper was diffused in the lithium layer.
[0049]
Similarly to FIG. 3, a lithium metal film 4 was further formed on the negative electrode solid electrolyte film 3 prepared previously under the condition that the lithium surface temperature was suppressed to 150 ° C. by vapor deposition. The thickness of the lithium metal film 4 was 5 μm. The film thickness was measured with a stylus type step gauge.
[0050]
A constant current power source is connected to the copper foil 1 and the lithium metal film 4 of the element composed of the copper foil 1 / lithium metal film 2 / solid electrolyte film 3 / lithium metal film 4, and the lithium directly above the copper foil is connected to the solid electrolyte 3 and lithium metal film 4. A direct current life test for discharging the metal 4 to the interface side was performed. This DC life test is 0.5 mA / cm²The lifetime was determined when the DC resistance increased to 100Ω under the constant current conditions. As a result, the conductive lithium amount was 20% or more with respect to the total lithium amount. The amount of lithium released when lithium is released in the above DC life test and the DC resistance value becomes 100Ω is defined as the lithium conducting lithium amount.
[0051]
[Comparative Example 2]
A copper foil having a thickness of 10 μm was used as a substrate, and a lithium metal film having a thickness of 50 μm was formed thereon by a vapor deposition method. The film thickness was measured with a stylus type step gauge. The temperature was measured with a radiation thermometer. As the film forming temperature, the lithium surface temperature was set to 170 ° C. Further, on the lithium metal film, a solid electrolyte film having a lithium (Li) -phosphorus (P) -sulfur (S) composition is formed to a thickness of 0.5 μm by vapor deposition under the condition that the surface temperature of the solid electrolyte is kept at 150 ° C. or lower. After that, the obtained material was punched out to a diameter of 15 mm to obtain a negative electrode. The composition of the solid electrolyte membrane was 34 atomic% Li, P4 atomic%, and S 52 atomic% as analyzed by a plasma emission analysis (ICP) method.
[0052]
The positive electrode is LiCoO which becomes the active material₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0053]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode were placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of −80 ° C. or lower. Further, 1 mol% of an electrolytic salt was added to a mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. LiPF₆A lithium secondary battery was produced by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0054]
When the charge / discharge cycle test of this battery was performed at a constant current of 3 mA, a charge of 4.2 V, and a discharge of 3.0 V, the cycle life was 200 to 300 cycles.
[0055]
After the charge / discharge cycle test, the coin cell was disassembled, the negative electrode was taken out, and observation with a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDX) were performed. No lithium metal dendrite growth was observed, and it was observed that a solid electrolyte layer was retained on the negative electrode surface. Furthermore, when the negative electrode material was subjected to photoelectron spectroscopy (XPS), a solid electrolyte in the surface layer and a lithium metal layer were observed.
[0056]
Further, a lithium metal film of the second layer corresponding to 4 in FIG. 3 was formed on the previously prepared solid electrolyte film of the negative electrode by further suppressing the lithium surface temperature to 150 ° C. by vapor deposition. The thickness of the second lithium metal film was 5 μm. The film thickness was measured with a stylus type step gauge.
[0057]
Connect a constant current power source to the copper base material of the element consisting of this copper foil / lithium metal film / solid electrolyte / lithium metal film and the lithium metal film (second layer lithium metal film) on the solid electrolyte film, and directly above the copper foil. A DC life test was conducted in which lithium was released to the interface side between the solid electrolyte membrane and the second lithium metal membrane. This DC life test is 0.5 mA / cm²The lifetime was determined when the DC resistance increased to 100Ω under the constant current conditions. As a result, the conductive lithium amount was 9 to 12% with respect to the total lithium amount. The amount of lithium released when lithium is released in the above DC life test and the DC resistance value becomes 100Ω is defined as the lithium conducting lithium amount.
[0058]
Moreover, a part of lithium metal on the copper foil was cut out, and the surface analysis in the depth direction of the lithium film formed on the copper foil was performed using photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, a copper peak was detected near a depth of 10 μm (20% of the film thickness) from the surface, and it was confirmed that 8% of copper was diffused in the lithium layer.
[0059]
Example 17
A copper film having a thickness of 10 μm was used as a substrate, and a silicon film was formed thereon by suppressing the surface temperature of the silicon film to 150 ° C. by vapor deposition. The temperature was measured with a radiation thermometer. The thickness of the silicon film was 5 μm. The film thickness was measured with a stylus type step gauge.
[0060]
The positive electrode is LiCoO which becomes the active material₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0061]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode were placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of -80 ° C. or lower, and 1 mol% LiPF as an electrolytic salt in a mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate.₆A lithium secondary battery was prepared by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0062]
And the charging / discharging cycle test of this battery was performed between 3 mA constant current conditions, charge 4.2V, and discharge 3.0V. The results are shown in Table 2. Even after 500 cycles, no internal short circuit occurred and no decrease in capacity was observed.
[0063]
A portion of the silicon thin film on the copper foil was cut out, and the surface analysis in the depth direction of the silicon film formed on the copper foil was performed using photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, a copper peak was detected near a depth of 10 μm (20% of the film thickness) from the surface, and it was confirmed that 1% of copper was diffused in the silicon film. As the substrate, Ni and SuS can be used in addition to Cu.
[0064]
[Example 18] to [Example 28]
A battery was fabricated using a negative electrode in which the temperature of the base material, the thickness of the silicon film formed on the base material, and the thickness of the solid electrolyte were changed in the same configuration as in Example 17, and the battery cycle characteristics, DC The lifespan was investigated. The results are shown in Table 2.
[0065]
Example 29
A copper foil having a thickness of 10 μm was heated in the atmosphere to form a copper oxide layer on the surface of the copper foil. The thickness of the oxide layer was 0.2 μm. Further, a silicon film having a film thickness of 0.5 μm was formed thereon under the condition that the surface temperature of the silicon film was 150 ° C. or less by vapor deposition. The temperature was measured with a radiation thermometer, and the thicknesses of the oxide layer and the silicon film were measured with a stylus type step gauge.
[0066]
The positive electrode is LiCoO which becomes the active material₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0067]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode were placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of −80 ° C. or lower. Further, 1 mol% of an electrolytic salt was added to the mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. LiPF₆A lithium secondary battery was produced by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0068]
When the charge / discharge cycle test of this battery was performed between 3 mA constant current, charge 4.2 V, and discharge 3.0 V, as shown in Table 2, internal short circuit did not occur even after 550 cycles, and the capacity decreased. Was also not seen.
[0069]
[Example 30] to [Example 34]
A battery was fabricated using a negative electrode with the same structure as in Example 29, but with the temperature of the base material and the thickness of the thin film provided on the base material changed, and the cycle characteristics and DC life of the battery were investigated. The results are shown in Table 2.
[0070]
Example 35
A copper foil having a thickness of 10 μm was used as a substrate, and a silicon film was formed thereon by a vapor deposition method. The thickness of the silicon film was 50 μm. The film thickness was measured with a stylus type step meter, and the temperature was measured with a radiation thermometer. When the temperature reached 145 ° C. in the first film formation step, the film formation was stopped once, and when the temperature dropped to 100 ° C., silicon was formed again. By dividing the film forming process into several times in this manner, the surface temperature of silicon during film formation was prevented from rising to 150 ° C. or higher.
[0071]
The positive electrode is LiCoO which becomes the active material₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0072]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode were placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of −80 ° C. or lower. Further, 1 mol% of an electrolytic salt was added to the mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. LiPF₆A lithium secondary battery was produced by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0073]
When the charge / discharge cycle test of this battery was performed between 3 mA constant current, charge 4.2 V, and discharge 3.0 V, as shown in Table 2, internal short circuit did not occur even after 550 cycles, and the capacity decreased. Was also not seen.
[0074]
A portion of the silicon thin film on the copper foil was cut out, and the surface analysis in the depth direction of the silicon film formed on the copper foil was performed using photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, a copper peak was detected near a depth of 10 μm (20% of the film thickness) from the surface, and it was confirmed that 1% of copper was diffused in the silicon film.
[0075]
[Comparative Example 3]
A copper foil having a thickness of 10 μm was used as a substrate, and a silicon film was formed thereon by a vapor deposition method. The thickness of the silicon film was 50 μm. The film thickness was measured with a stylus type step gauge. Moreover, when the temperature at the time of film-forming was measured with the radiation thermometer, the silicon surface temperature was 170 degreeC.
[0076]
The positive electrode is LiCoO which becomes the active material₂Particles, carbon particles imparting electronic conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed with an organic solvent and applied on an aluminum foil. The thickness of the positive electrode is 100 μm.
[0077]
A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode were placed in a coin-type cell under an argon gas atmosphere with a dew point of −80 ° C. or lower. Further, 1 mol% of an electrolytic salt was added to the mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. LiPF₆A lithium secondary battery was produced by dropwise adding an organic electrolyte solution in which the solution was dissolved.
[0078]
When the charge / discharge cycle test of this battery was performed at a constant current of 3 mA, a charge of 4.2 V, and a discharge of 3.0 V, the cycle life was 200 to 300 cycles.
[0079]
  In addition, a part of the silicon film on the copper foil was cut out, and surface analysis in the depth direction of the silicon film formed on the copper foil was performed using photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, a copper peak in the vicinity of a depth of 10 μm (20% of the film thickness) from the surface was detected.Of the above examples, 10 to 15 and 29 to 34 are inventions of the present application, and the others are reference examples.
[0080]
[Table 1]

[0081]
[Table 2]

[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it has been found that the diffusion of the base metal into the lithium metal film formed on the metal base and the negative effect on the performance of the negative electrode member are not negligible, and the lithium metal film is formed. By reducing the thermal load at the time, or by installing an intermediate layer to suppress its diffusion and suppress the inactivation of lithium, the cycle life of the negative electrode member is improved, so that the energy density is high, and charge / discharge It becomes possible to realize and provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics and stability and high safety.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Reference formNegative electrode partMaterialExpanded sectional view
FIG. 2 is a view showing an analysis result of a copper diffusion state with respect to the lithium metal films of Example 1 and Comparative Example 1
FIG. 3 shows another negative electrode member.referenceExpanded sectional view showing the form
[Fig. 4]Of this inventionNegative electrode memberThe fruitEnlarged sectional view showing the embodiment
[Figure 5]Of this inventionAn expanded sectional view showing other embodiments of a negative electrode member
FIG. 6 shows still another negative electrode member.referenceExpanded sectional view showing the form

Claims

金属基材上に、基材金属の拡散を防止する中間層と、リチウム金属膜、又は、リチウムを吸・放出可能な金属膜、合金膜、カーボン膜から選ばれる１種以上の膜と、固体電解質膜とを順に積層したリチウム二次電池負極部材において、
前記リチウム金属膜、又は、リチウムを吸・放出可能な膜中の基材金属の濃度が、その膜の最表面からその膜の膜厚２０％の範囲において、５原子％以下であり、
前記基材金属の酸化層又は硫化物層で前記中間層を形成したことを特徴とするリチウム二次電池負極部材。On the metal base material, an intermediate layer for preventing diffusion of the base metal, a lithium metal film , or one or more kinds of films selected from a metal film capable of absorbing and releasing lithium, an alloy film, and a carbon film, and a solid In the lithium secondary battery negative electrode member in which the electrolyte membrane is sequentially laminated ,
The concentration of the base metal in the lithium metal film or the film capable of absorbing and releasing lithium is 5 atomic% or less in the range of the film thickness of 20% from the outermost surface of the film ,
A negative electrode member for a lithium secondary battery , wherein the intermediate layer is formed of an oxide layer or a sulfide layer of the base metal .

金属基材上に、基材金属の拡散を防止する中間層とリチウム金属膜と固体電解質膜とを順に積層したリチウム二次電池負極部材であって、
前記固体電解質膜上に金属電極を形成し、電界を前記金属基材と前記金属電極との間に印加して金属電極側にリチウムイオンを伝導させたときの伝導可能リチウム量が全リチウム量に対して２０％以上であり、
前記基材金属の酸化層又は硫化物層で前記中間層を形成したことを特徴とするリチウム二次電池負極部材。 On a metal substrate, a lithium secondary battery negative electrode member formed by laminating the intermediate layer and the lithium metal film and the solid electrolyte membrane in order to prevent diffusion of base metal,
Wherein forming a metal electrode on the solid electrolyte film, to conductively amount of lithium total lithium amount when lithium ions was conducted applied to the metal electrode side between the electric field and the metal base metal electrodes And more than 20%
A negative electrode member for a lithium secondary battery , wherein the intermediate layer is formed of an oxide layer or a sulfide layer of the base metal .

前記リチウムを吸・放出可能な金属としてＳｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、または、そのいずれかを主成分とする合金を用いたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池負極部材。 2. The negative electrode member for a lithium secondary battery according to claim 1 , wherein Si, Sn, Ge, Pb, or an alloy containing any one of them as a main component is used as the metal capable of absorbing and releasing lithium.

前記基材金属が、Ｃｕ、Ｎｉ、またはＳＵＳであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池負極部材。The lithium secondary battery negative electrode member according to claim 1, wherein the base metal is Cu, Ni, or SUS.

請求項１〜４のいずれかに記載のリチウム二次電池負極部材The lithium secondary battery negative electrode member according to claim 1.
を備えたリチウム二次電池。Rechargeable lithium battery.